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  • 1 # 環境學報

    簡單地說,產生新介面是有能量代價的,而重力勢能不足以補償這一能量代價。

    具體說來,這個其實是一個潤溼的問題。而潤溼的程度,主要取決於介面張力,稍後細說。

    當接觸角小於90°時,我們稱為潤溼的;而接觸角大於90°時稱為不潤溼的。如果接觸角達到0°則稱為完全潤溼,也就是題主所說的趨向於鋪展成單分子層;如果接觸角達到180°就會形成一個立在表面上的球形液滴,即完全不潤溼。舉個例子,汞滴,汞在大多數常見表面上都比較接近這種狀態。

    初中化學中提到觀察兩桶讀數時要看凹液麵底端,之所以會形成凹液麵也是因為水能夠潤溼玻璃表面。

    那麼這個潤溼程度由什麼決定呢?其實最主要的就是液體與空氣的介面張力( 即液體的表面張力)、基質與空氣的介面張力( 即基質的表面張力)、還有液體與基質的介面張力( )。是否能夠潤溼,可以簡單地用鋪展因子S來描述。

    S > 0 時趨向於完全潤溼而S < 0時則為部分潤溼。楊氏方程給出了這三個介面張力與接觸角的關係。

    實際應用當中,可以用表面能來大致估計是否潤溼,表面能可以簡單得由介面上原子的狀態來推測,一般來說原子間的作用力強(共價鍵、離子鍵、氫鍵)的表面,表面能比較高稱為高能表面,而作用力弱(分子間相互作用)則會使表面能變低,稱為低能表面。當具有低表面能的液體接觸高能表面時會潤溼,反之則不潤溼。

    舉個幾個例子烹飪用的油是一種表面能比較低的液體,所以可以潤溼各種(食物)表面,但是不粘鍋表面的氟聚合物是一種表面能更低的固體,所以比較容易清洗。

    水是一種表面能比較高的液體,但是肥皂水因為表面覆蓋了一層疏水端朝外的表面活性劑,其表面能顯著降低,就能夠更好地潤溼汙漬沾染的表面了。

    除此以外,潤溼程度還與表面的粗糙度有關,一般來說基質表面粗糙化會使潤溼的更潤溼、不潤溼的更不潤溼,這也就是為什麼生活中能觀察到水在磨砂玻璃上比普通玻璃上更容易鋪展。

    回到問題本身,可以發現,重力作用於整個液體但是介面能決定了接觸角也就決定了液滴邊界的狀態,液滴整體的狀態就是兩者的平衡。對於一個潤溼的液體,顯然可以透過擴充套件覆蓋的面積來維持平衡,但是對於不潤溼的情況,如果液滴持續變大,介面能無法支援液滴的受到的重力,液滴就會分裂成幾個更小的液滴來重建平衡。

    只要接觸角不是0°就不會鋪展成單分子層,當然實際上鋪展的動態過程還需要考慮液體的粘度和蒸發的影響。

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